[发明专利]光学麦克风组件

说明书

一种光学麦克风组件(38)包括刚性基板(42)、干涉测量布置、光源(48)、至少一个光电检测器(50)和罩壳(74)。干涉测量布置包括膜片(46)和与膜片(46)间隔开的至少一个光学元件(62)，其中至少一个光学元件安置于基板(42)的表面(60)上。来自光源(48)的光经由干涉测量布置沿着两个不同的光学路径传播到光电检测器(50)，这两个光学路径的光学路径差取决于膜片(46)与光学元件(62)之间的距离。光电检测器(50)布置成检测取决于光学路径差的由光产生的干涉图案的至少一部分。罩壳(74)布置成形成与膜片(46)的一侧流体连通的声腔(76)。声腔(76)的体积为至少3mm乘以d²，其中d为膜片(46)的直径。

本发明大体上涉及光学麦克风组件，且尤其涉及用于容纳光学麦克风的声学结构。

麦克风通常用于通过测量响应于环境声学振动而振动的可移动部件(例如膜片)的位移来将声波转换为电信号。有多种方法来测量这种可移动部件的位移。一种常见方法是使用电容读出，其涉及测量可移动部件(例如膜片)与背电极之间的电容。以这种方式操作的麦克风通常称为电容式麦克风。其它类型的麦克风使用基于静电或电磁效应的读出机制，例如动态麦克风。

期望麦克风具有高信噪比(SNR)及高灵敏度。为此，麦克风膜片的顺应性应尽可能地高。如本文中所使用，顺应性是指由给定压力产生的膜片的位移，且以nm/Pa为单位给出。因此，更高顺应性膜片响应于给定压力呈现更大的位移，这意味着对于给定的声音体积，产生更大的位移。因此，利用具有更高顺应性的膜片构建的麦克风更加灵敏。

然而，通常，麦克风膜片的顺应性将受到与其最大运动有关的实用方面的限制。举例来说，在电容式或电容麦克风中，膜片与背电极之间的距离必须较小(例如在MEMS电容麦克风中为几微米)。如果距离太大，那么膜片与背电极之间的电容将变得太小且电读出噪声将降低麦克风的灵敏度。这限制了膜片准许的最大位移，且因此限制了膜片的顺应性。

读出麦克风膜片的位置的替代方法是光学干涉测量读出。US 7,116,430和US 7,184,368描述用于实施光学干涉测量读出的系统。在所公开的系统中，衍射光栅设置为邻近于膜片，且电磁辐射被引导到衍射光栅上。光的第一部分从光栅反射回来。第二部分透射穿过所述光栅，所述光栅衍射辐射。衍射的辐射撞击在膜片上，所述膜片将衍射的辐射反射到光栅上。辐射穿过光栅，且光的两个部分发生干涉以形成可由检测器检测的干涉图案。干涉图案具有与光栅的衍射级相匹配的形状(即，空间分布)，但引导到这些衍射级中的光强度取决于光的两个部分的相对相位，且因此取决于光栅与膜片之间的距离。因此，可根据检测器处的光强度的变化来确定膜片的位置(且因此，可确定膜片的移动)。

US 7,116,430还描述使用静电致动以调整膜片的平衡位置从而增大麦克风的动态范围的方法。EP 14732548描述提供增大的动态范围的干涉测量读出方法。设置多于一个衍射光栅，其中衍射光栅相对于麦克风膜片具有不同相位偏移。通过例如相对于膜片以不同的高度偏移定位光栅来提供不同的相位偏移，但这也可以其它方式(例如通过使用光学延迟膜)来实现。这产生具有相对相位偏移的多个光信号。组合所述信号以提供光学测量扩展了麦克风的操作范围。

光学读出并不依赖于膜片与背电极之间的电容，并且因此没有必要以上文所描述的方式限制膜片的最大位移(且因此没有必要限制其顺应性)。此外，光学读出避免由“粘滞”引起的潜在永久性损坏的风险。粘滞在膜片朝着背电极位移太远时发生在电容麦克风中。由于必须为膜片充电以形成电容，因此膜片朝着背电极的过度移动将导致膜片因不稳定地附着到背电极直至接触而损坏，这将损害麦克风的功能且可能造成永久性损坏。在光学麦克风中，并不需要为膜片充电，并且因此极少发生粘滞。

由于上述所给出原因，光学读出允许更大的膜片最大位移，从而允许使用更高顺应性的膜片。